Колпаковые и двухколпаковые печи для отопления дома

Принцип функционирования кузнецовской печи

Кузнецовым был предложен совершенно новый подход к построению печи из кирпича. Как известно, в печах традиционной конструкции имеются каналы, по которым происходит движение горячих газов, нагревающих кирпич. Главным фактором, поддерживающим данный процесс, является тяга. Такой принудительный метод прогревания корпуса печи характеризуется неравномерностью распределения тепла. Кроме того, он часто приводит к образованию трещин в стенках конструкции. При строительстве подобной печи, занимающей довольно много места в помещении, используется множество кирпичей.

Возникает вопрос и относительно наличия места для установки теплообменника. Это устройство теряет указанный производителем срок службы, если его разместить в самой топке. Постоянный контакт с огнем губительно сказывается на прочностных характеристиках теплообменника. Такое соседство приводит также к ухудшению условий горения топлива, снижению коэффициента полезного действия печи и образованию большого количества сажи.

В сооруженной по кузнецовскому методу печи газы движутся свободно.

Схема работы колпаковой печи Кузнецова

Такая конструкция основывается на установке внутри нее колпаков, представляющих собой сосуды, перевернутые днищем вверх. В некоторых моделях печей колпаки могут иметь верхние отверстия. Сосуды располагаются в различном порядке, однако основным условием их размещения является наличие между ними вертикальных пустотных щелей, называемых сухим швом. Образованное таким образом пространство шириной до 3 см не заполняют ни теплоизолятором, ни раствором. Вследствие этого газы свободно движутся, перемещаясь из одного сосуда-колпака в другой.

Чтобы легче представить себе схему работы колпаковой печи Кузнецова, нужно визуализировать в своем воображении костер, разожженный на открытом воздухе. В результате того, что воздух имеет неограниченный доступ к пламени, от костра идет незначительное тепло, которое сразу же рассеивается в пространстве. Можно изменить характер процесса нагревания воздуха вокруг костра, если накрыть его колпакообразным сосудом, например, казаном большого размера

При этом внизу важно оставить зазор, чтобы совсем не загасить пламя. Как результат, горячий газ естественным путем поднимается к днищу казана и ограничивает доступ поступающего снаружи воздуха

После отдачи тепла стенкам сосуда он, спускаясь к открытому проему, постепенно охлаждается и выходит наружу, а его место занимает следующая порция жара.

Такой саморегулирующийся процесс характеризуется возможностью дозировки наружного воздуха и нахождения разогретого газа в сосуде до полного остывания.
Схема работы колпаковой печи Кузнецова

Описанный выше принцип используется в печах Кузнецова, для которых применяются сразу два колпака, соединенные сухим швом. Такая нестандартная конструкция способствует повышению эффективности передачи достаточного количества тепла от печки в помещение, где она установлена. Горячие газы сначала заполняют собой первый колпак, тем самым нагревая его стенки, а затем, охлаждаясь, уступают место горячему потоку, который поднимается из топки.

Стараясь оптимизировать этот процесс, изобретатель еще на первой его стадии, которая начинается после топливника, решил разделить поток газов в соответствии с их температурой. С этой целью он использовал перегородку для отделения пространства колпака от топки. При этом барьер не достигает дна сосуда. В результате такого разделения горячие газы сразу же устремляются к своду колпака, а поток более низкой температуры направляется по сухому шву через щель в перегородке. Таким образом, за счет скопления под сводом горячих газов и наличия барьера в первый колпак воздух поступает только в необходимом количестве. Это способствует полному сгоранию топлива с образованием определенного количества золы.

Аналогичный процесс движения газов происходит и в колпаке, установленном над первым.

Чертеж колпаковой печи Кузнецова

Менее горячие продукты горения размещаются внизу сосуда, а раскаленные газы стремятся к своду и при остывании отдают тепло на кирпичные стенки. Затем они опускаются вниз и по дымоходу выводятся наружу. За счет оснащения печи двумя колпаками, в которых происходит естественное нагнетание и движение газов, создание принудительной тяги в дымоходной трубе не требуется.

Принцип действия

Кузнецов предложил новый принцип построения кирпичных печей. Во всех придуманных/сконструированных ранее моделях горячие газы движутся по каналам. Проходя по ним, они нагревают кирпич, сами охлаждаются. Движение возможно только при наличии тяги. При таком принудительном принципе действия прогрев корпуса неравномерный, а приводит это к образованию трещин. Большое количество кирпичей занимает практически все пространство, и теплообменник при необходимости поставить некуда. Только поместить его в топку, где он будет контактировать с пламенем, из-за чего срок службы его очень ограничен. К тому же расположенный в зоне горения теплообменник отнимает значительную часть тепловой энергии, ухудшая условия горения топлива, что снижает КПД печи и повышает количество сажи.

Одна из канальных печей внутри выглядит так

Кузнецов использует другой, принцип движения газов в печи — свободный. Печь состоит из колпаков — перевернутых вверх дном сосудов (с отверстием вверху или без — по-разному в разных моделях). Колпаки могут располагаться друг над другом или один за другим, но обязательно сообщаются между собой при помощи сухого шва — пространства в 2-3 см, незаполненного раствором или теплоизолятором, через который и переходят газы из одного колпака в другой.

Первый колпак и топка объединены в единое пространство. При таком устройстве происходит вот что. Самые горячие газы поднимаются верх. На некоторое время они  вверху и остаются, где передают часть тепловой энергии стенам, сами остывают. По мере остывания они опускаются вниз, а на их место поднимаются более горячие. При таком построении движение воздушных масс происходит только за счет естественных физических процессов.

Принцип движения газов в колпаковых печах

Наглядно продемонстрировать процесс можно, если в перевернутый вверх дном стакан запустить струю дыма. Она поднимается вверх, достигает верха, затем остывшая часть дыма вдоль стенок опускается вниз. Приметно те же процессы, только гораздо более сложные, проходя и в печи.

На рисунке красными стрелками показана схема движения горячего воздуха в колпаковых печах. Синими стрелками показано движение холодного воздуха, попавшего в печь. Очевидно, что вверх он подниматься не будет, потому как весит больше, а пройдет понизу и почти не  повлияет на общую температуру в колпаке, что продемонстрировано на рисунке справа.

Но одного колпака для эффективного отбора тепла недостаточно, потому большинство печей имеют два или три свода в зависимости от мощности. В них происходят практически те же процессы, что и в первом: более горячие газы находятся вверху, нагревая кладку, холодные проходят понизу и выходят в дымоход.  В верхней зоне второго свода  и размещается теплообменник или любое другое необходимое для каких-либо целей устройство. Никакого открытого огня, только горячие газы и очень эффективный теплосъем: постоянно протекают воздушные потоки высокой температуры. Причем никакого влияния на процессы горения нагрев теплоносителя, камней или воды в баке не оказывает:  от топки они отделены кирпичной стенкой.

Один из вариантов колпаковой печи

Конструкция печей разной конфигурации и назначения разная, но «потребляют» они немного топлива и долго остаются горячими. Об этом говорят отзывы владельцев. Например, в доме из бруса сложена такая печь. При -25оС топят утром и вечером по 5 полешек (всего в сутки получается порядка 18 кг дров). В домике +25оС и утром не холодно. При температуре «за бортом» до -10оС топят один раз. Так что насчет эффективности вопросов нет. Если и есть вопросы, то по поводы выбора исполнителя.  Ведь параметры ее работы зависят от того, насколько правильно и грамотно сложена печь. И быстро ее не сделаешь: средних размеров и без наворотов — это 2-3 недели работы. Вообще с отзывами о печах Кузнецова все просто: люди довольны. Удовольствие, конечно недешевое, но однозначно оно того стоит. Это утверждают все владельцы таких печей. Никаких сложностей в эксплуатации, экономичны и не капризны, очень долго отдают тепло, а греются быстро.

Конструкция и её отличительные черты

Принцип устройства колпаковых печей достаточно простой и заключается в том, что нижний ярус конструкции и очаг совмещаются в общее пространство. Его и называют колпаком, внутри которого осуществляется циркуляция раскалённых газов.

Самые лёгкие раскалённые газы, которые образуются при сгорании топлива, поднимаются кверху колпака. Там они будут находиться до тех пор, пока всё их тепло не перейдёт кирпичным стенкам кладки.

Стандартная конструкция колпаковой печи

При остывании они становятся тяжёлыми и опускаются вниз. На их место «приходят» следующие горячие газы, и такой круговорот происходит до тех пор, пока в очаге горит топливо. Таким образом, горячий воздух всегда находится под своеобразным колпаком, пока кирпич не заберёт на себя всё тепло. Он не сможет выйти пока полностью не остынет и не станет тяжёлым, чтобы опуститься вниз.

Особенности конструкции колпаковых печей

Для того чтобы понять как действует такая печь, мы можем рассмотреть вариант со стеклянной ёмкостью, когда в ней горячий дым не может никуда выйти и постепенно опускается вниз при охлаждении.

Но необходимо знать, что остывший газ, который снижается книзу, не холодный в прямом смысле этого слова. Он имеет температуру более 200°С, а температура горения твёрдого топлива около 800°С, поэтому и воздух, поднимающийся вверх, будет такой же горячий. Остывая, газ опускается к выпускным каналам, которые расположены внизу печной кладки. А затем он поступает в следующий колпак, находящийся над первым. И если для этого колпака газ был достаточно холодными, то для верхнего он будет раскалённым и поэтому опять поднимется в самый верх. Там они также нагреют материал стенок печи. После остывания опустятся вниз, как и в первом случае, но уже с температурой около 130°С.

Вот и весь процесс работы печи, но, как и у каждого эффективного устройства, здесь присутствует небольшой нюанс, который называется «сухой щелью». Она представляет собой проём, расположенный вертикально в печи шириной около 2–3 сантиметров, который совмещает топку с нижним колпаком от самого пола до конечной точки камеры. Благодаря сухой щели тяжёлый холодный воздух напрямую может выйти в трубу, не перемешиваясь с поднимающимся горячим газом и не уменьшая эффективности сгорания твёрдого топлива.

Сухой шов в кладке колпаковой печи

Банная печь имеет такой же принцип работы, как и отопительная, но по своей конструкции немного отличается.

• Нижний колпак оснащён специальным металлическим противнем с камнями.
• Есть доступ для поступления воды и специальные отверстия для выхода раскалённого пара.
• Печь имеет более толстые наружные стенки, которые дают возможность камням максимально нагреваться, а само помещение не перегревается.
• Колпак имеет контур для нагрева воды в моечной комнате.

Камни подогреваются двумя методами:

• Непосредственно от раскалённых газов.
• В стальном закрытом поддоне.

Так как камни располагаются вверху первого колпака и поэтому они прогреваются до максимальной температуры. Это происходит за счёт того, что раскалённый воздух «обволакивает» камни со всех сторон одновременно.

Для такой печи лучше всего приобретать округлые обтекаемые камни. Такая форма будет отлично справляться с нагревом воздуха.

При возможности к камням можно добавить 1/3 часть чугунных чушек.

Колпаковая печь своими руками: рекомендации

Человеку, который впервые будет класть печку необходимо научиться быть каменщиком. Рекомендуется прежде почитать книгу и ознакомиться с информацией в интернете. Не стоит тушеваться, нужно спокойно и не спеша начать выкладывать кирпич по схеме ряд за рядом.

Необходимо помнить:

• При нагреве кирпич нагревается. Соответственно внутренняя оболочка, которая является огнеупорной должна со всех сторон иметь пустое пространство.
• Обязательно каждый третий ряд должен быть положен проволокой из металла, это позволит сделать связку более сильной.
• Все металлические элементы, включая дверь должны быть установлены с учётом их расширения при высоких температурах. Металл и кирпич нужно разделить специальной прокладкой.
• Когда все работы закончены рекомендуется обработать кирпич специальным огнеупорным составом.
• Обжигать печь необходимо с маленького нагрева, увеличивать силу нужно постепенно.

Новичкам следует помнить, что между первыми двумя ярусами прокладка идёт в четверть кирпича, это увеличивает топку в длину. Перекрытие верхнее нужно делать на семнадцатой и восемнадцатой порядовке, а на двадцать первой порядовке необходимо оставить вдоль боковых внутренних стенок два прохода. Все порядовки указаны на чертежах и, как правило, затруднений не вызывает.

После того как кладка закончена, нужно провести первую растопку. Нужно использовать минимальное количество топлива, потому что нагрев должен проходить постепенно и медленно. Во время первой топки проверяется работа печи, происходит её обжиг и герметичность всех швов, особенно где есть задвижки и установленны двери. Если вдруг обнаружатся какие-нибудь недостатки, то их сразу же необходимо устранить.

Чтобы избежать трещин в печке и её перекоса, ставить её необходимо на твёрдую основу. Готовое сооружение имеет достаточно солидный вес, поэтому к закладке фундамента необходимо подходить очень серьёзно. Рекомендуется закладывать бетонный фундамент ещё во время постройки дома. Ширина фундамента должна быть на десять сантиметров больше конструкции отопления. Встраивать самостоятельно в свой готовый дом печь сложно, рекомендуется воспользоваться помощью профессионалов.

Подготовительные работы

Прежде чем приступить к строительству, выбирают место и определяют конструкцию и расположение дымохода (как в помещении, так и на крыше). После этого можно начинать работы по обустройству основания печи. Если отопительный агрегат возводится вместе с домом, то заливают общий фундамент. В случае когда печь кладут в жилом помещении необходимо удалить часть пола, которая приходится на «кузнецовку». При этом внешний контур основания печи должен быть на 10–15 см больше его габаритов.

Варианты размещения дымохода для колпаковой печи

Для обустройства фундамента делают углубление 20–25 см, на дно которого насыпают песчаную подушку толщиной 10 см, которую проливают водой и утрамбовывают. После этого на высоте 5 см укладывают армирующую сетку, по внешнему периметру устанавливают опалубку и заливают конструкцию бетоном. Приступать к кладке можно сразу же после его полного схватывания, которое в зависимости от температуры происходит примерно за 2–3 суток.

Кроме заливки основания, перед началом кладки потребуется подготовить раствор. Для этого берут чистую глину и просеянный речной песок. Глину высыпают в большую металлическую ёмкость, разминают и замачивают в небольшом количестве воды. После того как она хорошо раскиснет, добавляют песок и доводят консистенцию раствора до состояния очень густой сметаны. Чаще всего печники используют пропорцию 3 части глины на 1 часть песка, но правильное соотношение компонентов зависит от типа глины — чем выше её жирность, тем больше потребуется добавлять песка (вплоть до соотношения 2:1).

Приступая к работе, лучше распечатать порядовки на бумаге, в процессе строительства зачёркивая каждый уложенный ряд

Особое внимание уделяют местам установки футеровочного слоя — на схемах они выделяются пунктиром или другим цветом. Учтите, что если вместо огнеупорного материала будет использован обычный кирпич, то такая печь будет не только недолговечной, но и малопроизводительной

Особенности колпаковых печей

1. Отличительной чертой печей Кузнецова является изолированный от основной кладки топливник (камера сгорания) которая выполняется из шамотного кирпича. Это обусловлено высокой температурой внутри камеры, которая может достигать 1200 °С . Неравномерное расширение шамотного кирпича и обычного керамического без устройства зазора между топочной камерой и стенкой неизбежно привело бы к растрескиванию печи. Пространство между топливником и стенкой обычно составляет 5 мм. В целях повышения теплоотдачи оно заполняется минеральным уплотнителем: асбесто — или минеральным картоном.
2. Второй особенностью коппаковой печи является наличие «сухого шва» — узкой (20 — 30 мм) щели в стенке топочной камеры, которая заполняется воздухопроницаемым минеральным материалом (минеральной или асбестовой ватой). Сухой шов предназначен для дополнительного притока воздуха в топочную камеру из внутреннего объема печи. Приток нагретого воздуха повышает температуру горения топлива и способствует более экономичному расходованию дров.
3. Еще одной особенностью колпаковой печи является расположение калориферов, водогрейных баков и духовок в объеме второго колпака. Такое расположение исключает непосредственный контакт труб или металлического корпуса дополнительного оборудования непосредственно с открытым пламенем или раскаленными газами. Температура во втором колпаке обычно не превышает 400 ° С , что вполне безопасно для металла.
4. Колпаковая печь имеет относительно короткий дымоход. Его задача – отведение продуктов горения, и только во вторую очередь создание тяги в печи.
5. КПД колпаковых печей некоторых моделей достигает 80% по сравнению с max. 60% для печей других конструкций. Благодаря небольшим размерам топочной камеры расход топлива очень экономичный. Он на 20 — 50% ниже, чем в печах с прямоточным отведением печных газов.

Колпаковая печь

Колпаковые печи, в которых вакуум создается под муфелем, могут иметь переносный колпак при неподвижных стендах либо поднимающийся и опускающийся колпак и перемещающиеся стенды.  

Колпаковые печи, в которых вакуум создается под колпаком, на температуру до 1 200 — 1 300 С используются в промышленности для термической обработки электротехнических сталей.  

Колпаковые печи выпускают с одним или двумя рабочими колпаками. Печи состоят из следующих основных узлов: рабочей камеры, стола и пульта управления.  

Колпаковые печи предназначаются в основном для процессов безокислительного отжига листового проката, ленты, проволоки, прутков. Установленная на стенде загрузка закрывается жароупорным муфелем, под который подается защитный газ. Для некоторых сортов стали требуется вести нагрев в вакууме; для этого печи снабжаются вакуумной системой, и под муфелем создается разрежение.  

Колпаковая электрическая печь.

Колпаковая печь состоит из колпака и футерованного стенда, неподвижного относительно пола цеха; на стенд устанавливается загрузка.  

Колпаковые печи чаще всего применяются для процессов безокислительного отжига металлов: тонколистового проката в пакетах, рулонов ленты, бунтов проволоки. Так как при процессах отжига требуется длительное охлаждение под муфелем, то на один колпак приходится 2 — 4 стенда.  

Колпаковые печи выпускают с одним или двумя рабочими колпаками. Печи состоят из следующих основных узлов: рабочей камеры, стола и пульта управления.  

Колпаковые печи работают чаще всего с тремя подами. На одном поду происходит нагрев металла под нагревательным колпаком печи, на двух других — охлаждение садки, разгрузка и загрузка листов. Для осуществления охлаждения листов в защитной атмосфере стопа металла, кроме нагревательного колпака, закрывается металлическим муфелем из листовой окалиностойкой стали, под который и подводят защитный газ.  

Колпаковые печи для отжига рулонов строят с одностопной и многостопной загрузкой. Колпаковые печи с одностопной загрузкой более производительны и обеспечивают более равномерный нагрев металла.  

Электродная соляная ванна.

Колпаковые печи ( рис. 60.3, табл. 60.2) применяются преимущественно для светлого отжига пакетов листовой стали, рулонов ленты и бунтов проволоки. Колпаковая печь состоит из неподвижного футерованного стенда, на который устанавливается загрузка, накрываемая жароупорным муфелем, и колпака. Колпак, несущий основную часть нагревательных элементов печи, может перемещаться с помощью мостового крана с одного стенда на другой. Так как при отжиге требуется длительное охлаждение изделий, на один колпак предусматривается два-четыре стенда. Нагрев и охлаждение изделий осуществляются под жароупорным муфелем в атмосфере защитного газа или в вакууме. Форма колпака, стенда и муфеля в зависимости от конфигурации загрузки может быть цилиндрической, эллиптической или прямоугольной.  

Колпаковые вакуумные печи.| Колпаковая водородная иечь.

Колпаковые печи являются печами периодического действия. Цикл работы этих печей состоит из загрузки деталей, опускания колпака, откачки ( или продувки водородом), включения нагревателей и подъема температуры, выдержки при заданной температуре, выключения нагревателей и остывания, напуска воздуха ( или продувки воздухом), подъема колпака и выгрузки деталей.  

Переносный ультразвуковой генератор УП-21.

Преимущества колпаковой печи

Если сравнивать кузнецовую печь с другими кирпичными аналогами, то она имеет огромную устойчивость к деформации. Она быстро нагревается и при этом долго сохраняет тепло. Даже при неплотно закрытой заслонке, образовавшееся тепло может долго сохраняться в такой печи.

• длительная эксплуатация;
• малое образование копоти и сажи (она практически полностью сгорает, превращаясь в золу);
• КПД – до 80%;
• легкая конструкция, которую можно осилить даже новичку;
• усовершенствованная система нагрева по сравнению с канальным аналогом;
• простая и практичная в уходе – нет необходимости часто ее чистить;
• не трескается;
• универсальность возведения (в доме, квартире, бане и т.д.)
• большой выбор формы и дизайна;
• не нужно брать в расчет высоту дымохода для обеспечения хорошей тяги;
• высокая скорость растопки;
• конструкция позволяет установить большой нагревательный элемент;
• происходит равномерный прогрев печи;
• печь дольше остывает по сравнению со своими кирпичными прототипами.

Розжиг «Кузнецовки»

Как установить своими руками?

Используемые материалы и инструменты

Отопительная система колпакового типа предполагает наличие необходимых для работы элементов в виде инвентаря и материалов. Точный список всего необходимого зависит от конкретной модели конструкции, размеров и других характеристик. Все же имеется стандартный набор, являющийся основой для любого проекта. В него входит:

• красный кирпич;
• шамотный огнеупорный материал;
• колосник;
• панель с чугунной плитой на две конфорки;
• дымоходная задвижка;
• шкаф духовой;
• задвижка прямого хода и плиточной камеры;
• поддувальная, прочистная и топочная дверца;
• уголки стальные;
• полка для ниши и сушильной камеры;
• лист предтопочный (стальной);
• молоток кирка;
• мастерок;
• резиновый молоток;
• уровень строительный;
• отвес;
• шнур малярный;
• емкость для раствора.

Инструкция к работе

Прежде чем начать строить колпаковые печи своими руками важно определиться с функциональным предназначением конструкций, изучить рабочий план и все строительные схемы. Проектировщиком Кузнецовым в свое время было разработано более 150 различных вариаций, поэтому с выбором варианта проблем не возникнет

Все строительные планы делятся на следующие разновидности печки:

• Отопительная. Основная функция заключается в отоплении помещений.
• Каминная. Обогревает комнату и создает эстетическую привлекательность.
• Банная. Предназначена для создания условий работы бани или сауны.
• Наружная. Бани устанавливаются во дворе сада с целью дополнительного обогрева и приготовления пищи.
• Хлебная. Устройство позволяет выпекать различные виды хлебных изделий.

Подготовка

Первое, с чего начинается работа по возведению печей, — обустройство фундамента. Без надежного основания конструкция не сможет полноценно функционировать, поэтому ее качество напрямую влияет на работу всей печной системы с нижним прогревом. Порядок действий:

1. Выкапывается котлован. Стенки выравниваются и подготавливаются к дальнейшим действиям.
2. Дно ямы засыпается песком и щебнем и утрамбовывается на протяжении нескольких дней.
3. Из старых древесных досок формируется корпус опалубки, который необходим для заливки раствора.
4. Далее, происходит армирование поверхности с использованием металлического прута средней толщины.
5. После приготавливается раствора. Торопиться с этим процессом не стоит, рекомендуется своевременно перемешивать массу, чтобы вышел лишний воздух.
6. Когда раствор готов, поэтапно заливается яма и оставляется высыхать на несколько недель.

Схема укладки кирпича

Детальные планы порядовки колпаковых печей для дачи представлены в свободном доступе. Если придерживаться рекомендаций, ошибки в работе исключаются. На первом этапе прокладывается фольга с отражающим эффектом, которая позволит сохранить тепло от потерь. Классическая схема выкладки выглядит следующим образом:

1. Первый ряд выкладывается равномерно по всему периметру конструкции. Боковые стенки выкладываются в направлении справа налево преимущественно ложковым способом. На этом этапе также происходит установка дверцы для топки и поддувала.
2. Продолжается кладка аналогично предыдущим рядам.
3. Уменьшается ширина отсека для сгоревших продуктов. Формируется перегородка в дальнем углу печки.
4. В работу вводится огнеупорный кирпич, им выкладывают ободок сброса.
5. Оформляется колосник.
6. Формируется вывод дымоходной трубы в соседний отдел воздушной камеры.
7. Закладка из половины кирпичей изменяется на целый кирпич. Изменения не происходят, ряд оформляется в привычном режиме.
8. Огнеупорным кирпичом закладывают решетку.
9. Далее, идет работа к подготовке второго уровня кладки согласно схеме.

Рабочие процессы выполняются согласно действующему плану работы. Любые изменения потенциально опасны и сказываются на появлении непредвиденных отклонений, поэтому включать какие-либо элементы в рабочую программу следует правильно

Важно при этом соблюдать очередность каждого процесса, выдерживать сроки высыхания конструкции. Первый запуск печи проводится только после завершения всех мероприятий